[논문 리뷰] SABRE: Protecting Bitcoin against Routing Attacks

Maria Apostolaki, Gian Marti외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 19.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 24인용 수 8

한 줄 요약

SABRE는 BGP 보호 및 경제적으로 유리한 위치에 위치한 릴레이 노드를 활용하고, P4 프로그래밍 가능한 네트워크 하드웨어를 통해 블록 릴레이를 오프로드함으로써 Bitcoin에 대해 부분적 배포가 가능한 안전한 릴레이 네트워크를 제안한다. 이는 AS 수준의 라우팅 공격으로부터 보호한다. 최소 6개의 노드로도 96%의 AS 악성 행위자에 대해 80%의 클라이언트를 보호할 수 있다.

ABSTRACT

Routing attacks remain practically effective in the Internet today as existing countermeasures either fail to provide protection guarantees or are not easily deployable. Blockchain systems are particularly vulnerable to such attacks as they rely on Internet-wide communication to reach consensus. In particular, Bitcoin -the most widely-used cryptocurrency- can be split in half by any AS-level adversary using BGP hijacking. In this paper, we present SABRE, a secure and scalable Bitcoin relay network which relays blocks worldwide through a set of connections that are resilient to routing attacks. SABRE runs alongside the existing peer-to-peer network and is easily deployable. As a critical system, SABRE design is highly resilient and can efficiently handle high bandwidth loads, including Denial of Service attacks. We built SABRE around two key technical insights. First, we leverage fundamental properties of inter-domain routing (BGP) policies to host relay nodes: (i) in locations that are inherently protected against routing attacks; and (ii) on paths that are economically preferred by the majority of Bitcoin clients. These properties are generic and can be used to protect other Blockchain-based systems. Second, we leverage the fact that relaying blocks is communication-heavy, not computation-heavy. This enables us to offload most of the relay operations to programmable network hardware (using the P4 programming language). Thanks to this hardware/software co-design, SABRE nodes operate seamlessly under high load while mitigating the effects of malicious clients. We present a complete implementation of SABRE together with an extensive evaluation. Our results demonstrate that SABRE is effective at securing Bitcoin against routing attacks, even with deployments as small as 6 nodes.

연구 동기 및 목표

• BGP 허위 경로 공격과 같은 AS 수준의 라우팅 공격으로 인해 네트워크가 분할되고 이중 지출이 가능해지는 Bitcoin의 취약성을 해결하기 위해.
• 전체 프로토콜 변경이나 광범위한 배포 없이도 강력한 보안 보장을 제공하는 시스템을 설계하기 위해.
• 최소 두 대의 릴레이 노드부터 시작하여 초기 보안 이점을 제공할 수 있도록 하기 위해.
• 하드웨are/소프트웨어 공동 설계를 통해 릴레이 네트워크 자체를 DDoS 및 기타 공격으로부터 보호하기 위해.
• 릴레이 간 연결이 공격자에 의해 유도되지 않도록 하기 위해 BGP 정책의 본질적 특성을 활용하기 위해.

제안 방법

• 직접 피어링이 되어 있고 고객이 없는 AS에 SABRE 릴레이 노드를 배치하여 BGP 허위 경로 공격으로 인한 릴레이 트래픽 유도를 방지한다.
• 클라이언트 연결성과 가시성 위험을 최소화하기 위해 라우팅 매력도를 기반으로 릴레이 위치를 선정한다.
• P4 프로그래밍을 통해 블록 릴레이 작업을 프로그래머블 스위치로 오프로드하여 CPU 부하를 감소시키고 처리량을 증가시킨다.
• 예측 가능하고 고용량의 블록 요청을 효율적으로 처리하기 위해 동적 액세스 목록과 캐싱을 구현한 UDP 기반 클라이언트 프로토콜을 구현한다.
• 블록 전파의 통신 집약적인 특성을 활용하여 하드웨어 가속을 우선시함으로써, 악성 로드 하에서도 Tbps 수준의 성능을 달성한다.
• 데이터 플레인에서 트래픽을 처리하고 자주 요청되는 블록을 캐싱함으로써 DDoS에 강건한 시스템을 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 인터넷 인fra구조를 활용하고 부분적 배포만으로도 AS 수준의 라우팅 공격에 대해 Bitcoin 릴레이 네트워크를 보호할 수 있는가?
• RQ2 BGP 정책 특성을 활용하여 BGP 허위 경로 공격에 본질적으로 면역인 위치에 릴레이 노드를 배치할 수 있는가?
• RQ3 프로그래머블 네트워크 하드웨어(P4)가 블록 릴레이의 통신 집약적인 워크로드를 효과적으로 처리하면서 DDoS 공격을 완화할 수 있는가?
• RQ4 대부분의 Bitcoin 클라이언트를 강력하게 보호하기 위해 필요한 최소한의 릴레이 노드 수는 얼마인가?
• RQ5 Bitcoin 프로토콜 변경이나 새로운 표준의 전 세계적 배포 없이도 안전한 릴레이 네트워크를 구축할 수 있는가?

주요 결과

• SABRE는 악성 행위자 수준에서 96%의 AS 공격자에 대해 최소 6개의 릴레이 노드로도 worst-case 배포 시나리오에서 80%의 Bitcoin 클라이언트를 보호할 수 있다.
• 현재 인터넷에서 BGP 피어 페어링 관계를 맺고 있으며 고객이 없는 2,000개 이상의 AS가 안전한 릴레이 위치로 적합하다.
• P4 기반 하드웨어 오프로드 설계 덕분에 SABRE 노드는 데이터 플레인에서 트래픽을 처리함으로써 DDoS 공격 상황에서도 Tbps 수준의 트래픽 부하를 지속할 수 있다.
• 릴레이 노드 배치의 내성적 복원력과 부가적 복원력 덕분에 공격자가 네트워크의 최대 50%의 AS를 제어하더라도 시스템은 여전히 효과적으로 기능한다.
• 동적 액세스 목록과 캐싱을 갖춘 UDP 기반 클라이언트 프로토콜은 블록 전파에 대한 지연을 감소시키고 확장성을 향상시킨다.
• SABRE는 Bitcoin 프로토콜 변경이나 BGP 보안 확장 기술인 RPKI의 전 세계적 배포 없이도 강력한 보안 보장을 제공한다.